Development of artificial intelligence hardware using magnetic tunnel junctions

使用磁隧道结开发人工智能硬件

• 批准号: 20H05655
• 负责人: 久保田 均
• 金额: $ 128.54万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-08-31 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H05655/
• 关键词: 人工スピンアイス; 強磁性トンネル接合; リザーバ計算; 磁性薄膜; ナチュラルコンピューティング; リザバー計算; 静磁気的結合; フラストレーション

本研究では人工スピンアイスを物理リザバー計算に適用し、高い計算性能と高集積化の両立に道を開く事を目指している。本年度の研究内容を以下に述べる。・人工スピンアイスネットワーク試料の作製と評価　パーマロイ薄膜を用いて、ランダムな迷路構造を有する細線パターンを作製し磁気特性を評価した。人工スピンアイスを構成するセルの磁気特性を実験とシミュレーションにより調べた。長いStadium Shape形では磁気渦がセル端部に生成し、比較的小さな磁界で一斉反転を引き起こすことがわかった。この結果に基づき強磁性トンネル接合からなるハニカム格子人工スピンアイスネットワーク試料を作製した。ピッチサイズを2-1.04ミクロンの範囲で変化させ、72個中の62個のセルに個別に上部電極を接続した。磁気抵抗曲線の測定の結果、磁気抵抗か高くかつ抵抗値のばらつきが少ない良好な磁気抵抗特性を得た。・リザバー計算シミュレーション　72個のセルからなるハニカム格子人工スピンアイスネットワーク試料を想定したシミュレーションを行った。磁界パルスの波形が計算性能に大きな影響を与えることがわかった。また、人工スピンアイスのトポロジカルな性質に着目したシミュレーションを行い、計算性能を評価した。・リザバー計算実験・解析　ランダムな迷路構造パターンに成形した試料を用いてレザバー計算を行った。磁界印加機構とカー効果顕微鏡システムをソフトウェアにより同期的に制御した。解析の結果、迷路構造パターンの中で磁化方向が大きく変化する部分が非線形演算に大きく寄与することが明らかになった。・設計ツール開発　迷路構造を有する複雑な形状からなるリザバーのシミュレートを可能とする拡張を行った。加えて計算ツールを用いたシミュレーションを行いツールのインタフェイスの改良を行った。ツールの普及を助けるより簡便な操作での利用が可能となった。

这项研究旨在将人工旋转冰应用于物理储层计算中，这为高计算性能和高积分开辟了道路。今年的研究内容如下所述。 - 人工旋转冰网络样品的准备和评估：使用Permalloy薄膜制备具有随机迷宫结构的薄导线图案，以评估其磁性。通过实验和模拟研究了组成人造自旋冰的细胞的磁性。发现在长的体育场形状中，磁涡流在细胞边缘产生，从而导致与磁场相对较小的同时反转。基于此结果，制备了由铁磁隧道连接的蜂窝状晶状体人造自旋冰网样品。音高尺寸在2-1.04微米的范围内变化，顶部电极分别连接到72个细胞中的62个细胞。由于测量磁磁曲线，获得了良好的磁倍率特性，具有较高的磁磁倍率，电阻的变化很小。 - 储层计算模拟：基于由72个细胞组成的蜂窝晶状体旋转冰网络样品的假设进行了模拟。已经发现，磁场脉冲的波形对计算性能有重大影响。此外，进行了仿真，重点是人造自旋冰的拓扑特性，并评估了计算性能。 - 储层计算实验和分析：使用模制成随机迷宫结构模式的样品进行了储层计算。通过软件同步控制磁场应用机理和KERR效应显微镜系统。分析表明，迷宫结构模式的磁化方向变化很大，对非线性计算显着贡献。 - 设计工具开发：已经进行了扩展，以允许模拟具有迷宫结构的复杂形状制成的储层。此外，使用计算工具进行了模拟以改善工具的接口。现在，比帮助传播工具的使用要简单地使用它。

项目成果

微細構造を有する磁性体中の磁壁運動を用いたリザーバコンピューティングのシミュレーション

利用微结构磁性材料中的磁畴壁运动模拟储层计算

• 发表时间: 2021
• 作者: 野村 光;高橋 一貴;延壽 耕平;後藤 穣;鈴木 義茂
• 通讯作者: 鈴木 義茂

Numerical simulation of reservoir computing with patterned nano-magnets

图案化纳米磁体储层计算的数值模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: Hikaru Nomura;Kwan Hon;Yuki Kuwabiraki;Kazuki Takahashi;Minori Goto;Ryoichi Nakatani and Yoshishige Suzuki
• 通讯作者: Ryoichi Nakatani and Yoshishige Suzuki

The effect of fine pattern on the magnetization process in in-plain magnetized ferromagnets

精细图案对面内磁化铁磁体磁化过程的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: H. Kubota;K. Yakushiji;T. Taniguchi;S. Tamaru;T. Yamamoto;S. Tsunegi;A. Sugihara;H. Nomura;Y. Suzuki
• 通讯作者: Y. Suzuki

大阪大学基礎工学研究科鈴木研究室

大阪大学大学院工学研究科铃木实验室

Noise-induced synchronization of spin-torque oscillators

• DOI: 10.1103/physrevb.105.224407
• 发表时间: 2022-06-15
• 期刊: PHYSICAL REVIEW B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Imai, Yusuke;Tsunegi, Sumito;Taniguchi, Tomohiro
• 通讯作者: Taniguchi, Tomohiro